某钢桁架设计缺陷分析与加固

2018-06-05王总

福建建筑 2018年5期

王总

(上海水石建筑规划设计股份有限公司重庆分公司重庆 400000)

0 引言

桁架是一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。从受力形式上分平面桁架和空间桁架。桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。在大型的体育场馆、航站楼、火车站等公共建筑的屋盖中，广泛采用钢桁架。桁架的杆件可为圆钢管、H型钢、角钢。角钢桁架整体刚度大、自重轻，适用跨度在18m～36m，故在已建成的工业厂房中，屋盖多采用角钢桁架。

与其它建筑材料相比，钢材强度要高得多，在相同的结构体系和荷载情况下，钢结构构件截面较小，结构或构件受压时的稳定问题在钢结构设计中非常突出。近年来，钢屋盖整体坍塌事故屡见不鲜。如2008年南方雪灾，导致纵多钢结构厂房发生倒塌。文献[1]对其中一个门刚厂房的倒塌进行了深入分析，其中一个原因就是杆件的稳定应力比超限。因此，设计时应避免钢结构的局部或整体稳定破坏。

1 工程概况

该工程为某中学艺术中心，屋盖采用梯形钢桁架。建筑安全等级二级，结构重要性系数1.0，设计使用年限50年，结构维修年限为10年。该地区抗震设防烈度为6度，考虑到该建筑的重要性，设计时将抗震设防烈度提到7度，设计基本地震加速度为0.10g，抗震等级为三级，设计地震分组为第一组。基本风压0.4kN/m2。原设计荷载屋面上弦恒载0.3kN/m2，下弦恒载0.2kN/m2，活荷载0.5kN/m2。图1～图5分别为该建筑主体结构布置图、屋顶钢桁架布置图、钢桁架详图、檩条布置图及其中一品纵向支撑详图。

该建筑存在严重的质量问题，而此时所有的钢屋架、檩条已经安装完毕，存在安全隐患。经当地建委质量抽查发现，该工程在设计上的一些问题进行分析，如表1所示。

图1 钢桁架下部主体结构平面布置图

图2 屋顶钢桁架布置图

图3 钢桁架(GWJ2)详图

图4 屋面檩条布置图

图5 纵向支撑CC2详图

杆件类别截面钢号上弦杆2L90×90×6Q345腹杆2L50×50×5Q345下弦杆2L90×90×6Q345

2 檩条布置位置有误

对于桁架结构，荷载通过节点传至各个杆件，所有的杆件均为二力杆，只承受拉力或者压力。所以，檩条一般布置在桁架节点处。对比图3和图4可以发现，檩条并未布置在各个节点处，有的檩条甚至位于杆件的跨中位置，导致上弦杆从轴向受力构件变成压弯构件。原因在于：假定上弦杆按照轴心受压构件计算出来的强度应力比为0.7，此时该构件具有较大的强度富余。根据文献[2]5.1.1条，可计算出N=461.3kN。按原始荷载计算，当檩条位于杆件跨中时，M=1.65kN·m，则根据文献[1]5.2.1条可求得强度应力比为0.9，应力比增大29%，同时，根据经验，强度应力一旦达到0.9，其稳定应力基本都会超限。故该构件按现有的檩条布置方式，很有可能产生瞬间的失稳破坏。因此，该檩条位置布置不当，需调整到节点位置处。

3 荷载不足

该建筑屋面采用双层彩钢板夹100mm厚保温棉，根据文献[3]附录A，该荷载为0.24kN/m2，再加上檩条、水平拉条等附属构件的自重，原设计输入的恒载为0.3kN/m2刚好满足设计需求。屋面为不上人屋面，活荷载取0.5kN/m2，原设计满足条件。对于此类艺术中心，屋架的下弦会设置隔声设备、吸音设备、音响、大吊灯、装饰天棚、帷幕等，按经验估算，下弦荷载为0.7kN/m2左右，但原设计下弦恒载仅为0.2kN/m2。原设计总恒载为0.5kN/m2，现总恒载为1.0kN/m2，是原有恒载的2倍，荷载严重不足，属违反结构设计的强条。对于学校类公共建筑，荷载不足将产生巨大的危害。因此，需按照实际荷载重新设计此桁架或者对其进行加固。

4 荷载传递方式错误

图6为原屋面荷载传力简图，屋面荷载通过钢桁架上弦节点和纵向支撑节点传力给主桁架和纵向支撑。该传力方式的错误之处在于：

(1)檩条支撑于主桁架上弦节点，屋面彩钢板上的附加恒载和活载传力给檩条，檩条通过上弦节点直接传力给主桁架，但纵向支撑的上弦节点并未承受任何节点荷载，故采用这种全节点方式进行荷载传递，与实际构件布置不匹配，使计算出来结果不准确。

(2)原设计将纵向支撑当成受力桁架，与主桁架共同受力计算，形成空间传力体系，计算方式不妥。图5所示的纵向支撑，其面外支撑为两端的主桁架，间距为7m，中间无任何侧向支撑点。对于上弦受压弦杆，面外计算长度L=7m，长细比λ=170>150，不满足规范的要求。图2中的纵向支撑CC3，侧向支撑点间距为8m，λ=198>150，不满足规范的要求。根据文献[4]的理论，下弦出平面自由长度大于节间长度3倍者，很难对受压腹杆提供足够的弹簧刚度，亦即该支撑的受压腹杆稳定性也不满足要求。

因此，将纵向支撑当成受力桁架计算，不满足稳定计算要求，过高估计纵向支撑的承载力，降低了主桁架受力，应按单向传力体系计算，纵向支撑是主桁架的侧向构造支撑，可作为整体结构安全储备考虑。

图6 屋面荷载传力简图

5 受压腹杆的选取

(a) (b)图7 角钢拼接形式

在角钢桁架中，角钢一般采用双拼的形式。常用的拼接形式如图7所示。对于受压腹杆，多采用图(a)组合方式。以L90×10等边角钢组合为例，肢距10mm。若面内计算长度为2.5m，则长细比λa=60.7，λb=91.6，很显然图(a)安全储备会更高。故对于受压腹杆，宜采用图(a)拼接方式，强度更高，也不影响其余构件安装。原设计采用图(b)拼接方式，没有足够的富余。

6 结构概念设计有误

从图3可以看出，该钢桁架跨度26.4m，端部高度0.8m。按照文献[5]要求，立体桁架高度可取跨度的1/12～1/16，即便按最小值1/16取值，桁架高度也应为1.65m，该桁架高度远不能满足设计需要。结构设计首先需要满足概念设计要求，但此桁架不满足。

根据工程经验，角钢桁架屋盖结构，随着时间推移，角钢拼缝处大量的局部锈蚀无法处理，后期维护成本极高，故此类结构大多用于工业厂房中。并且，通常计算时，钢型材厚度都应折减。比如，采用10mm厚的角钢，在计算时宜按8mm～9mm取值。故对于此类重要的公共建筑，不宜采用角钢桁架结构形式，宜采用管桁架或者H型钢桁架。另外，从图1可看出，屋盖周边均有结构柱，故也可采用周边支撑的网架结构形式，既美观，受力又合理。而该屋盖结构设计采用了最不适合的角钢桁架，不满足规范对矢跨比规定，不符合概念设计要求，应进行加固。

7 加固方案

钢桁架加固可采用向上增加桁架，或向下增加桁架做成鱼腹式，从而增加桁架高度，提高刚度。但该工程中桁架已经安装就位，且由于工期限制，不能拆卸再重新加工制作，若采用此方法，高空焊接量太大，节点处钢材很容易软化，影响安全。该工程采用新增钢梁HN800×300，在钢梁顶部设置5个竖向支撑点，使原钢桁架和钢梁协同工作，共同承受屋面及装修荷载，如图8所示。

图8 角钢拼接形式

经计算，钢梁应力比最大0.63，挠度1/605，桁架应力比均小于0.85，满足规范要求，且原钢柱的配筋可以包络住此种受力下的配筋结果。但对于钢梁与柱的连接，需在柱顶1.5m高度范围内采用t=32钢板进行抱箍处理，提高节点的抗震性能。从施工的角度，单根钢梁总重约5.2 t，在工厂预制成两段，在现场用小型吊车吊装、拼接即可，施工简单、速度快，且结构安全、可靠，故采用此方法可行。